近日，kaiyun欧洲杯app团队联合上海交通大学、华东师范大学、中国科学院分子细胞科学卓越创新中心，于Cell Metabolism（IF=29.0）在线发表题为"Deciphering the metabolic heterogeneity of hematopoietic stem cells with single-cell resolution" 的研究论文，建立了解析造血干细胞异质性的高通量单细胞代谢组新技术。
造血干细胞（hematopoietic stem cell）是一类非常稀少的干细胞，能够通过自我更新及多系分化建立起完整且成熟的血液系统。在发育的不同阶段，造血干细胞的代谢状态也发生了巨大的变化，为了满足造血需求，造血干细胞会在胚胎时期快速增殖分裂，到了小鼠出生后，造血需求逐渐降低，造血干细胞会暂停分裂，进入长期静息状态。得益于质谱技术的发展，造血干细胞代谢相关研究越来越丰富，已经有不少研究人员利用液相质谱（liquid chromatography–mass spectrometry）技术证明了数种代谢物及其通路能直接参与造血干细胞功能调控。然而，造血干细胞并非一个均匀的整体，传统的液相质谱难以用于细胞的异质性分析，在检测通量上也有着明显的局限性，因此如何高通量地在单细胞水平解析造血干细胞的代谢组将是下一个挑战。
本工作中，kaiyun欧洲杯app团队联合上海交通大学、华东师范大学、中国科学院分子细胞科学卓越创新中心从头搭建了一套结合抗体染色、预固定、流式分选、自动化样品处理以及基质辅助的激光解吸电离质谱技术的高通量单细胞代谢组分析平台（high-throughput single-cell metabolomics, hi-scMet），成功从单细胞中检测到超过100个代谢物。基于此技术，成功绘制了造血谱系全细胞代谢组图谱，揭示了造血干细胞扩增过程中的代谢转变，也证明了磷酸戊糖途径在造血干细胞激活中的作用。
首先，团队分离了成体小鼠骨髓中的12种血系细胞，共计1428个细胞进行了单细胞代谢组分析。结果证明，只有10%左右的代谢物在造血干细胞中高度富集，有超过70%的代谢物在造血干细胞中浓度更低，这暗示了静息状态的造血干细胞表现出更低的代谢活性。
Hi-scMet标准程序示意图
此外，该研究引入了TetO-H2B-GFP；R26rtTA小鼠模型，将造血干细胞分为4个自我更新能力不同的亚群。结果证明，造血干细胞亚群的代谢水平呈现出趋势性变化，自我更新能力越强的造血干细胞越偏向于维持在低代谢活性状态，其中33个代谢物出现了显著性的趋势性变化。在这之中，有不少物质参与糖代谢，例如葡萄糖、乳酸、苹果酸与6-磷酸葡糖酸（6PG）等。
最后，为了确定6PG所在的磷酸戊糖途径是否能在体内调控造血干细胞的功能，周波课题组设计并引入了6PG合成酶基因敲除小鼠Pgls+/-以及磷酸戊糖途径抑制剂6-AN。结果发现， Pgls基因敲除的造血干细胞在长期移植重建时表现出更弱的血液系统重建能力；6-AN注射也会显著抑制造血干细胞及祖细胞的重建过程。这证明基因敲除或药物抑制磷酸戊糖途径都会导致造血干细胞的自我更新能力受损。
总之，该研究成功建立了基于流式分选的单细胞代谢组分析平台，弥补了过去代谢组分析在灵敏度、通量、细胞完整性与靶向性不能俱全的问题，成功绘制了造血谱系全细胞代谢组图谱，证明了造血干细胞处于更低的代谢活性，发现了磷酸戊糖途径能调控造血干细胞的自我更新能力。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cmet.2023.12.005